Эффективное удаление красителя basic red 9 из сточных вод с помощью керамических оксидов металлов с углеродом в виде новых нано-гибридов

Почему важно очищать окрашенную воду

Яркие синтетические красители делают нашу одежду, бумагу и лабораторные образцы заметными, но после сброса в канализацию они превращаются в стойкое загрязнение вод. Один из таких красителей, известный как basic red 9, может сохраняться в реках и грунтовых водах, вредить водной жизни и представлять риск для здоровья людей. В этом исследовании рассматривается новый тип твёрдого наноматериала, который способен эффективно извлекать этот проблемный краситель из воды, предлагая практический путь к более чистым и безопасным водным ресурсам.

Упрямый красный краситель в бытовых сточных водах

Basic red 9 широко используется в текстиле, полиграфии и лабораторных работах, и лишь малая его часть остаётся в конечной продукции. Остальное часто попадает в сточные воды, где интенсивный цвет блокирует солнечный свет, нарушает фотосинтез у водных растений и может мешать работе живых клеток. Многие существующие методы обработки — такие как мембраны, химическое осаждение или продвинутые фотокаталитические разрушения — либо слишком дороги, либо создают дополнительный отход, либо с трудом работают в реальных, загрязнённых сточных водах. Простая адсорбция, когда загрязнители прилипают к поверхности твёрдого тела, привлекательна тем, что проста в эксплуатации, не требует сложного оборудования, а сами сорбенты иногда можно регенерировать и использовать повторно. Задача состоит в том, чтобы разработать материал, который мог бы быстро захватывать большое количество красителя и сохранять работоспособность в присутствии солей и других веществ, обычно встречающихся в реальной воде.

Создание новых мельчайших очистителей из керамики и углерода

Исследователи получили два родственных материала, комбинируя оксиды стронция, кобальта и магния с углеродом в так называемые нано-гибриды — твёрдые тела, состоящие из нескольких мелких кристаллических фаз, переплетённых вместе. Они использовали метод Печини (Pechini) в рамках сол–гель технологии, контролируемый способ смешивания солей металлов с органическим агентом и последующего термического превращения в тонкие, однородные частицы. Прогрев исходной смеси до 600 °C дал материал MSC600 с палочковидной, более открытой структурой. Прогрев до 800 °C дал MSC800, у которого образовались более компактные, почти сферические зерна и немного более крупные кристаллические домены. В обоих случаях готовые твёрдые тела содержали несколько керамических фаз плюс углерод, что обеспечивало богатый набор поверхностных сайтов, к которым могли прикрепляться молекулы красителя.

Как новые материалы захватывают краситель

При испытаниях нано-гибридов в растворах basic red 9 оказалось, что удаление красителя сильно зависит от кислотности среды. В кислых условиях поверхности твёрдого тела имели положительный заряд, который отталкивал положительно заряженный краситель, что приводило к очень плохому очищению. При щелочном pH поверхности становились отрицательно заряженными и сильно притягивали краситель, особенно MSC600, у которого состояние заряда и более открытая текстура способствовали лучшему поглощению. Подробные инфракрасные измерения показали, что действовало несколько типов взаимодействий: электростатическое притяжение между противоположными зарядами, водородные связи, стаккинг между кольцевыми фрагментами красителя и углеродом в твердом теле, а также связывание с металл–кислородными сайтами. Измерения с азотным газом подтвердили, что оба материала обладают большими доступными порами, причём MSC600 предлагает большую удельную поверхность и объём пор, что помогает объёмным молекулам красителя диффундировать внутрь и находить места для адсорбции.

Быстрая, сильная и регенерируемая очистка

В испытаниях по производительности оба материала захватывали большие количества basic red 9, значительно превосходя ёмкость, указанную для распространённых альтернатив, таких как активированный уголь, биочар или сельскохозяйственные отходы. MSC600 достиг максимума примерно 437 миллиграммов красителя на грамм материала, тогда как MSC800 — около 313 миллиграммов на грамм. Поглощение происходило быстро, выравниваясь примерно в течение часа для MSC600 и немного дольше для MSC800. Анализ изменения концентрации красителя во времени и при разных температурах показал, что процесс имеет физическую, а не химическую природу, протекает спонтанно и сопровождается выделением тепла. Важно, что краситель можно было почти полностью снять с сорбента с помощью кислоты, что позволяет регенерировать материалы несколько раз с лишь незначительным снижением эффективности. Они также хорошо работали в реальных лабораторных стоках, содержащих смесь солей и других ионов, по-прежнему удаляя большинство добавленного красителя.

Что это значит для более чистой воды

Для неспециалиста главный вывод таков: авторы разработали мельчайшие, многократно используемые «губки», которые могут захватывать проблемный красный краситель из воды гораздо эффективнее, чем многие существующие материалы. Тщательная настройка соотношения керамической и углеродной составляющих и условий термической обработки позволила создать поверхности, которые сильно притягивают краситель, быстро насыщаются и затем могут быть очищены и использованы вновь. Хотя испытания проводились на basic red 9, те же принципы конструкции можно адаптировать под другие красители и загрязнители. Такой простой и эффективный инструмент очистки может стать частью практических систем обработки промышленных и лабораторных стоков, помогая сделать реки и грунтовые воды чище, безопаснее и ближе к целям глобальных инициатив по чистой воде.

Цитирование: Al-Kadhi, N.S., Aljlil, S.A., Basha, M.T. et al. Efficient elimination of basic red 9 from wastewater using ceramic metal oxides containing carbon as novel nanohybrids. Sci Rep 16, 12235 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47555-x

Ключевые слова: удаление красителей из сточных вод, наноматериалы-адсорбенты, керамические углеродные гибриды, basic red 9, очистка воды